一种相参累积激光雷达随机相位消除装置及方法

1.本发明涉及激光相干探测领域，具体涉及基于电光调制来实现宽频调制和基于光学i/q来实现去斜接收的相参累积激光雷达，解决了相参累积过程中相位不稳定的问题。


背景技术：

2.经过几十年的发展，雷达逐渐在遥感、气象预报、火灾监控、洪水检测、地质勘探和民航飞机导航等等领域具有及其重要的价值。但是，随着周围电磁环境日益附加多变，以及例如超音速无人机等高机动目标的出现，给雷达探测带来了巨大挑战。而低可探测技术的应用又使雷达信号湮灭在噪声背景中，从而使雷达难以发挥作用。而提高雷达的探测信噪比，可以极大的改善上述问题。提升雷达回波信号信噪比主要有以下几个措施：提高发射机发射功率、采用大时宽带宽积信号、增大雷达的接收孔径，降低雷达噪声系数等。然后，这些措施主要集中在硬件层面对雷达系统做出改善，在实际工程应用背景下，这些措施很难进一步提升雷达的信噪比。
3.通过增加雷达对目标的照射时间，即增加雷达回波信号的个数，通过信号处理的方式来提升雷达信噪比，可以有效地提高对低可探测目标、高速目标的探测概率。在相参积累中，信号主要处理流程包括：单个回波信号匹配滤波、距离徙动矫正、多个回波信号相参积累。由于激光波长在1um附近，同时目标运动尺度和振动误差的尺度都远远大于1um,所以雷达信号中将引入巨大的随机相位。相参累积受激光相位误差影响较大，造成累积效率变低，甚至出现不能提升信噪比的情况。因此，为了解决随机相位对相参累积过程中的影响，本法提出一种对称边带调制来消除误差相位，从而极大的改善了相参累积的效率。


技术实现要素：

4.本发明在现有的相参累积激光雷达基础上，提出一种随机相位误差消除方法，有效地提升相参累积效率。激光经过由射频信号驱动的电光相位调制器完成宽频调制，其中，射频信号由射频信号源产生，并由射频信号放大器进行功率放大；调制后的激光信号分成两束，一路作为本振光，另一路作为信号光。信号光经过掺铒光纤放大器进行功率放大，再经过环形器后耦合到收发孔径中用于探测。回波信号与本振光经过一个光学i/q混频器后分成i/q两路信号，再分别经过一个平衡探测器完成光电转换，转换后的电信号由数据采集卡完成数据采集。
5.在调制模块中，激光由射频信号驱动的电光相位调制器调制完成宽频调制。其中，射频信号可以表示为：
6.s
rf
＝v
pp
cos(πkt2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
7.其中，v
pp
是信号的幅值，k是信号的调频率。激光经过电光相位调制器之后，可以表示为：
8.[0009][0010]
其中，wc是激光的中心角频率，是激光器的初相，m是电光相位调制器调制深度，v
π
是电光调制器的半波电压。
[0011]
公式2按照贝塞尔展开，其频谱如图2所示。
[0012][0013]jn
(m)是调制深度为m的第一类贝塞尔函数n阶系数。可以看出，激光通过相位调制器后，激光功率弥散到n个调制边带上，产生一系列的线性调频信号。其中，第n阶的调制带宽和调制速率k是射频信号的n倍。其各阶边带的幅值与调制深度关系m。
[0014]
当设置m＝1时，此时一阶信号占据主要成分，此时调制信号可以近似表示为：
[0015][0016]
回波信号与本振光完成i/q平衡探测，探测后得到的信号可以表示为：
[0017][0018][0019]
上述公式进一步化简后，可以表示为：
[0020][0021][0022]
t0是目标与雷达之间的距离延时差，目标由于大气干扰以及振动等引入的随机相位，fa目标的多普勒频率，2kπt0t目标去斜接收得到的频率成分，对应于测距信息。
[0023]
对i/q两路信号做平方和处理来消除随机相位，信号处理过程如下：
[0024][0025]
通过上述算法处理，即可以消除系统中引入的随机相位从而可以实现接近无损的相参累积效果。
[0026]
因此，本发明提出一种相参累积激光雷达相位误差消除方法，如下：
[0027]
一种相参累积激光雷达随机相位消除装置包括激光器1、电光相位调制器2、掺铒光纤放大器3、环形器4、收发望远镜5、射频放大器6、射频信号源7、光学i/q混频器8、第一平衡探测器9、第二平衡探测器10、数据采集器11。
[0028]
由激光器1发射的激光信号经过由射频信号驱动的电光相位调制器2完成宽频调制，其中，射频信号由射频信号源7产生并由射频信号放大器6进行功率放大；调制后的激光信号分成两束，一路作为本振光，另一路作为信号光。
[0029]
信号光经过掺铒光纤放大器3进行功率放大，再经过环形器4后耦合到收发孔径5中用于探测。
[0030]
回波信号与本振光经过光学i/q混频器后分成i/q两路信号，i/q信号分别通过第一平衡探测器9和第二平衡探测器10完成光电转换，转换后的电信号由数据采集器11完成数据采集。
[0031]
一种相参累积激光雷达随机相位消除方法，具体为：
[0032]
1)采用电光调制器来实现信号调制。
[0033]
2)采用i/q解调技术来实现对回波信号的正交混频接收。
[0034]
3)通过对i/q两路信号做均衡处理来保证i/q两路信号幅值基本一致。
[0035]
4)通过对i/q信号在时域上做平方和处理来消除随机相位。
[0036]
5)对上述处理后的多路信号在时域上相加，来实现相参累积。
[0037]
6)对相参累计后的信号做傅里叶变换即可以得到目标的频谱。
[0038]
基于相参累积激光雷达工作流程如下：
[0039]
激光经过由射频信号驱动的电光相位调制器完成宽频调制，其中，射频信号由射频信号源产生并由射频信号放大器进行功率放大；调制后的激光信号分成两束，一路作为本振光，另一路作为信号光。
[0040]
信号光经过掺铒光纤放大器进行功率放大，再经过环形器后耦合到收发望远镜中用于探测。
[0041]
回波信号与本振光经过一个光学i/q混频器后分成i/q两路信号，再分别经过一个平衡探测器完成光电转换，转换后的电信号由数据采集器完成数据采集。
[0042]
本系统的优点
[0043]
1.采用电光调制，可以实现更大的调制带宽，从而可实现更高的测距分辨率。
[0044]
2.采用电光调制，相比于可调谐激光器来实现宽频调制，具有更窄的线宽，更远的相干长度。
[0045]
3.采用i/q解调技术和数据处理来消除了激光误差相位，极大提升了相参累积效率。
附图说明
[0046]
图1为相参累积激光雷达系统图，其中，1是激光器、2是电光相位调制器、3是掺铒光纤放大器、4是环形器、5是收发望远镜、6是射频放大器、7是射频信号源、8是光学i/q混频器、9是第一平衡探测器、10是第二平衡探测器、11是数据采集器。
[0047]
图2是电光调制信号的频谱图。
[0048]
图3是真实相位和消除了误差的相位图。
[0049]
图4是相参累积结果图，其中：图(1)为单次测量结果图，图(2)为累积3000次时测量结果图。
具体实施方式
[0050]
一种相参累积激光雷达相位误差消除方法具体实施如下。该激光雷达主要由窄线宽激光器、电光相位调制器、掺铒光纤放大器、环形器、收发望远镜、射频放大器、射频信号源、光学i/q混频器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、数据采集器组成。
[0051]
其中，窄线宽激光器产生线宽1khz，波长1550nm的单频激光信号，该信号首先经过一个射频信号驱动的电光相位调制器完成宽频调制，其中射频信号为频率0-1ghz的扫频信号，相位调制器的3db带宽为10ghz，被调制的激光信号由光纤分束器分成两路，一路作为信号光，另一路作为本振光。信号光经过一个掺铒光纤放大器和环形器后耦合到收发望远镜，
用于探测。
[0052]
在接收端，接收到的回波信号与本振光完成i/q混频和光电转换后，i/q两路信号经数据采集器完成数据采集。
[0053]
在信号处理阶段，首先对采集到的i/q两路信号做幅值均衡处理，保证i/q信号具有大致一致的幅值。第二步，对均衡后的i/q信号在时域中做平方和处理。第三步，对上述信号做距离徙动矫正，保证目标在整个运动过程中处在同一个距离门内。第四步，对多次测量的结果在时域中做相参累积处理，即直接相加。第五步，将相参累积后的信号做傅里叶变换，得到目标对应的频谱。
[0054]
图3是原始随机相位值和随机误差消除后的相位值，可以看出，当存在误差时，3000次测量时，随机相位走动分量大于70rad，而当采用该方案来消除随机相位后，相位稳定度优于0.4rad，因此可以证明，通过上述方法可以极大的消除随机相位对相参累积的影响。
[0055]
图4是相参累积结果图，从图中可以看出，图(1)为单次测量结果，信号的幅值为5.5，图(2)为累积3000次时测量结果，累积幅值为13500(每次幅值略有差别)，累积的幅值提升了接近3000倍，而噪声不具备相干性，信噪比大幅提升；可以看出，该方法可以有效消除了随机相位，极大程度的提升了累积效率，累积效率优于90％。

技术特征：
1.一种相参激光雷达随机相位消除装置，包括激光器(1)、电光相位调制器(2)、掺铒光纤放大器(3)、环形器(4)、收发望远镜(5)、射频放大器(6)、射频信号源(7)、光学i/q混频器(8)、第一平衡探测器(9)、第二平衡探测器(10)、数据采集器(11)，其特征在于：由激光器(1)发射的激光信号经过由射频信号驱动的电光相位调制器(2)完成宽频调制，其中，射频信号由射频信号源(7)产生并由射频信号放大器(6)进行功率放大；调制后的激光信号分成两束，一路作为本振光，另一路作为信号光；信号光经过掺铒光纤放大器(3)进行功率放大，再经过环形器(4)后耦合到收发孔径(5)中用于探测；回波信号与本振光经过光学i/q混频器后分成i/q两路信号，i/q信号分别通过第一平衡探测器(9)和第二平衡探测器(10)完成光电转换，转换后的电信号由数据采集器(11)完成数据采集。2.一种相参累积激光雷达随机相位消除方法，其特征在于方法步骤如下：1)采用电光相位调制器(2)来实现激光信号宽频调制；2)采用i/q解调技术来实现对回波信号的正交混频接收；3)通过对i/q两路信号做均衡处理来保证i/q两路信号幅值基本一致；4)通过对i/q信号在时域上做平方和处理来消除随机相位；5)对上述处理后的多路信号在时域上相加，来实现相参累积；6)对相参累计后的信号做傅里叶变换即得到目标的频谱。

技术总结
本发明公开了一种相参激光雷达随机相位消除装置及方法。由于相参累积激光雷达需要对激光相位进行测量，激光雷达发射波长短，容易受振动、大气扰动等引入的随机相位影响，降低了相参累积效率。针对该问题本专利提出一种随机相位消除方法，提升累积效率。在发射端，系统采用电光相位调制器对激光进行宽频调制。在接收端，接收的回波信号与本振光完成I/Q混频与平衡探测后由数据采集器完成数据采集。本发明利用电光调制双边带效应，通过对I/Q信号做平方和处理来消除振动以及大气扰动等引入随机相位，实现接近无损的相参累积效果。实现接近无损的相参累积效果。实现接近无损的相参累积效果。


技术研发人员：徐卫明 胡恒 方付平 舒嵘 朱思悦
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2022.02.10
技术公布日：2023/8/24